[发明专利]电流型双向DC-DC变换器的最优占空比电压不匹配控制方法

摘要

本发明公开电流型双向DC‑DC变换器的最优占空比电压不匹配控制方法，属于电力电子领域。本发明采用最优占空比电压不匹配控制；通过同时调节占空比及高、低压侧电压之间的移相角，降低电流造成的电路通态损耗和环流损耗，同时降低电流峰值，减小功率器件应力；另外，通过最优占空比策略限定占空比，减小环流阶段时间，同时通过电压不匹配控制，使得变压器电压不匹配，在最难实现软开关的高压侧开关管开通前有更大的结电容充电电流，以此保证软开关的实现，进一步降低电路损耗。本发明能够减小电压应力和环流损耗以及实现电路输入电流的低纹波运行，降低器件耐压等级，减小器件导通损耗，提高变换效率，降低成本，实现全负载范围软开关。

主权项

1.电流型双向DC‑DC变换器的最优占空比电压不匹配控制方法，其特征在于：包括PWM占空比控制环和移相控制环，控制量分别为占空比D和相位角包括如下步骤，步骤一：通过低压侧电压v_ab和高压侧电压v_cd之间的移相控制环的调节，使低压侧电压v_ab波形超前或滞后于高压侧电压v_cd相位角当功率为低压侧流向高压侧时，即BOOST模式，低压侧电压v_ab超前于高压侧电压v_cd，此时相位角为正；当功率为高压侧流向低压侧时，即BUCK模式，低压侧电压v_ab滞后于高压侧电压v_cd；通过调节低压侧电压v_ab和高压侧电压v_cd之间的相位角此时相位角为负，使输出电压达到给定值V_ref，同时使开关管Q₁、Q₂交错导通，使直流电感L₁、L₂上电流有180°相位差，直流电感电流叠加能够降低输入电流纹波；所述的步骤一的具体实现方法为：通过低压侧电压v_ab和高压侧电压v_cd之间的移相控制环的调节，使低压侧电压v_ab波形超前或滞后于输出侧电压v_cd相位角低压侧电压v_ab和高压侧电压v_cd之间的移相控制环通过电压传感器采样输出侧电压V_o的值作为移相控制环的电压反馈，计算电压给定值(V_ref/n‑ΔV+kV_inI_in与V_o)的差值作为移相控制环第一电压数字PI调节器的输入，第一电压数字PI调节器的输出经限幅器限幅后作为移相控制环电流数字PI调节器的给定；通过电流传感器采样低压侧电流i_in的值作为移相控制环的电流反馈，计算电流数字PI调节器给定值与i_in的差值作为电流数字PI调节器的输入，电流数字PI调节器的输出经限幅器限幅后作为高压侧开关管载波与基准载波的相位角当高压侧开关管载波与基准载波的相位角为正时，变换器工作在BOOST模式，当高压侧开关管载波与基准载波的相位角为负时，变换器工作在BUCK模式；以低压侧超前桥臂的载波V_tr1为基准载波，经载波移相控制器移相180°得到低压侧滞后桥臂载波V_tr2，使开关管Q₁、Q₂交错导通，使直流电感L₁、L₂上电流有180°相位差，直流电感电流叠加能够降低输入电流纹波；基准载波V_tr1经载波移相控制器相位角叠加后得到相位角的高压侧超前桥臂载波V_tr3，将载波V_tr3移相(2D‑1)T/2后得到输出侧滞后桥臂载波V_tr4，其中占空比D为PWM占空比控制环的输出，T为开关周期；步骤二：通过低压侧PWM占空比控制环的调节，调节低压侧开关管的占空比D，使占空比D限定在40％～60％，使钳位电容C_d2两端电压保持稳定，同时为保证软开关实现条件，钳位电压将会根据功率的变化而自动调整；并由低压侧PWM占空比控制环输出量计算出高压侧两桥臂相位差，所述的高压侧开关管驱动PWM波占空比固定为50％，使漏感两侧产生波形相同、但幅值不同的电压波形，使得在最难实现软开关的高压侧开关管开通前有更大的结电容充电电流，以此保证软开关的实现，实现全负载范围软开关，进一步降低电路损耗；至此，完成电流型双向DC‑DC变换器的最优占空比电压不匹配控制；所述的电流源型双向DC‑DC变换器，主要由主电路和控制电路组成；主电路主要由高压侧和低压侧构成，所述的低压侧包括直流电感(L₁、L₂)和由开关管(Q₁、Q₂、Q_1a、Q_2a)和箝位电容(C_d1、C_d2)组成的箝位电路，高压侧由有源全桥和输出电容(C_o)组成，有源全桥包括开关管(S₁，S₂，S₃、S₄)；低压侧的直流电感L₁和L₂的一端同时和低压电源正极相连，直流电感L₁和直流电感L₂的另一端分别与升压半桥的中点a和b相连，同时a点分别与开关管Q_1a的源极、Q₁的漏极、电感L_r一端相连，开关管Q_1a的漏极与箝位电容C_d1一端连接，开关管Q_2a的漏极连接到箝位电容C_d2一端，开关管Q₁的源极、开关管Q₂的源极、箝位电容C_d1与箝位电容C_d2的一端连接到输入电源负极，电感L_r的另一端与变压器T原边一端连接，变压器T原边另一端连接到b点；低压侧与高压侧通过变压器T产生电气连接；变压器T副边的两端分别连接到有源全桥的中点c和d，c点与开关管S₁的S极和开关管S₃的漏极相连，d点与S₂的源极和开关管S₄的漏极相连，开关管S₁和S₂的漏极、输出电容C_o的一端都连接到输出负载的一端，开关管S₃、开关管S₄的阴极、C_o的一端同时与负载的另一端相连；控制电路主要由控制器和驱动电路构成；控制器是以DSP控制器为核心，用于对由传感器采样得到的电压电流采样信号进行转换，并依据所述的用于电流型双向DC‑DC变换器的最优占空比电压不匹配控制方法产生PWM驱动信号，实现对电流源型双向DC‑DC变换器的最优占空比电压不匹配控制；驱动电路用来接受来自控制器的PWM信号，经过隔离和电压增强后为主电路开关管(Q₁、Q₂、Q_1a、Q_2a、S₁，S₂，S₃、S₄)提供驱动电压。